Инженеры предложили уникальную технологию выработки энергии из капель воды
Команда ученых, возглавляемая учеными из Городского университета Гонконга, разработала генератор, который производит электричество от падающих капель воды. Достаточно всего одной капли, чтобы заставить генератор произвести энергию, с помощью которой можно зажечь 100 маленьких светодиодных ламп. Устройство открывает совершенно новые способы выработки электроэнергии, сообщают исследователи в журнале Nature.
Устройство состоит из слоя оксида индия и олова (ITO), который покрыт полимерным политетрафторэтиленом (PTFE), более известным как тефлон. Этот электроизоляционный материал представляет собой так называемый электрет, который может накапливать электрические заряды, например, в результате трения. Небольшой кусочек алюминия соединяет оба слоя и служит электродом.
Когда капля воды падает на водоотталкивающую поверхность PTFE/ITO и распространяется по ней, она создает электрический заряд в результате электрохимических взаимодействий. Причем электроэнергия не теряется после каждой капли, а накапливается. «С увеличением количества капель воды, ударяющихся о поверхность, накапливаются поверхностные заряды с высокой плотностью», — сообщают Цуанкай Ванг, руководитель проекта. — После примерно 16 000 падений поверхностный заряд достигает стабильного значения около 50 нанокулон».
Теперь вступает в игру второй процесс: вода, растекающаяся по поверхности, образует «мостик» между алюминиевым электродом и слоем PTFE/ITO. Это создает замкнутую электрическую цепь, через которую может течь заряд. По своей структуре, объясняют исследователи, система похожа на полевой транзистор, полупроводниковый прибор.
Опыты показали, что одна 100-микролитровая капля водопроводной воды, падающая с высоты 15 см, может генерировать напряжение 140 Вольт и ток 270 микроампер. «Этой электроэнергии достаточно, чтобы засветилась сотня маленьких светодиодов», — говорит Цуанкай Ванг. Генератор на капельной основе, утверждают ученые, в тысячу раз эффективнее, чем предыдущие аналоги.
По словам исследователей, их генератор может использовать не только водопроводную воду, но и морскую, и даже капли дождя. Ученые адаптировали конструкцию для дождевой воды: вода сначала собиралась, а затем распределялась по капиллярам, через которые мерно падали капли. Морскую воду можно дозировать аналогичным образом.
«Регулируя диаметр капилляра и высоту падения капли, мы можем контролировать размер и скорость капель и, следовательно, количество вырабатываемой энергии», — говорят коллеги Ванга.
По словам ученых, эта технология открывает новые возможности для использования энергии воды. «Кинетическая энергия падающей воды обусловлена гравитацией и поэтому может рассматриваться как свободно доступная и возобновляемая. Но ее следует использовать лучше, — говорит Ванг. — Электричество из капель воды вместо нефти или ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию мира».
Капельный генератор особенно подходит для децентрализованного производства электроэнергии. И он может быть установлен везде, где идет дождь или есть вода. Например, на корпусе корабля или на поверхности зонта.
Волновая электростанция | Ассоциация «НП Совет рынка»
Полезные разделыВолновая электростанция
Волновая электростанция
Волновая электростанция — являются одними из самых чистых, безотходных и безопасных источников электроэнергии. На сегодняшний день, данный вид энергии используется весьма мало, не более 1% от всего производимого электричества в мире. Сегодня подсчитано, что за счет энергии океанских волн возможно получение до 10 млрд. кВт. электроэнергии.Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия, и энергии поверхностного качения. Именно эти факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций.Для использования кинетической энергии волн, на их пути ставится труба очень большого диаметра. Поступающие в нее волны вращают лопасти турбины, которая и приводит в движение генератор. В другом случае, поступающая вода выталкивает из замкнутого пространства трубы, находящийся там воздух. Далее выработка энергии происходит по обычному принципу. Выходящий воздух вращает лопасти турбины. Наиболее совершенные волновые электростанции, для выработки электроэнергии применяют оба этих способа.При использовании энергии волнового качения, электроэнергия вырабатывается посредством расположенных на поверхности воды поплавков. Качая их, волны приводят в движение систему поплавок-генератор, что приводит в конечном итоге к выработке энергии.Ученые пытаются еще больше усовершенствовать их конструкцию, разрабатывая новые технические решения. К примеру, в Австралии строится очень перспективная волновая электростанция.Она представляет собой гигантскую параболическую камеру шириной около более 30 метров. Для сравнения, 30 метров ? это высота 10-ти этажного жилого дома. Под действием попадающей в трубу воды, образуются очень мощные потоки воздуха, которые приводят в движение турбину. Что характерно, конструкция камеры такова, что турбина вращается при движении воздуха в любом на правлении: в камеру или обратно. Ожидается, что это будет первая в мире коммерчески выгодная волновая электростанция.По оценкам современных ученых, мировой океан может «предоставить» нам до двух тераватт электроэнергии. Этого вполне достаточно, чтобы удовлетворить все потребности человечества в электричестве, имеющиеся в настоящее время.Дорогой вариант волновой электростанции, разработанный ирландскими учеными, по их заявлению должен быть в три раза эффективнее всех своих предшественников. Она работает по следующему принципу: на длинной цепи расположен заякоренный буй. Его движение посредством специальной системы преобразуется в электрическую энергию. Новизна заключена в том, что электростанция оснащена механизмом, который автоматически подстраивает длину цепи под постоянно меняющийся уровень воды.Однако наиболее удачной конфигурацией волновых электростанций, использующих энергию поверхностного качения, считаются линейно сочлененные поплавки различной длины расположенные на поверхности воды. Такие электростанции уже построены и работают в водах морей возле Португалии и Англии.WATTA — Электричество из воды
Эта прекрасная маленькая демонстрация была изобретена лордом Кельвином. Используя несколько консервных банок, проволоку и капающую воду, можно элегантно сгенерировать тысячи вольт энергии.Вода, капающая из этих трубочек пролетает сквозь проволочные кольца, при чем правое кольцо припаяно к левой нижней банке, а левое к правой.
Смотрите, что произойдет, если открыть воду:
Что происходит?
Когда вода капает, одна из нижних банк становится положительно заряженой, а другая отрицательно с разницей потенциалов больше 1000В. Это означает, что любые мелкие капельки будут сбиты с пути электрическим полем и будут разлетаться кто куда.
Почему?
Это очень гениально и просто. Вначале, когда включают воду, одна из банок имеет чуть больший положительный заряд, чем другие. Какая именно банка имеет больший заряд, определяется чистой случайностью, так как изначальный заряд банок обуславливается естественной радиоактивностью или космическим излучением, или статикой оставшейся на банке после прикосновения. Кольцо, припаянное к этой банке соответственно тоже будет иметь чуть больший положительный заряд.
Несмотря на то, что начальная разность потенциалов между банками ничтожна, в некоторых самодельных капельницах Кельвина удается получить разность потенциалов до 15 кВ. Причем одна пара жестяных банок заряжается положительно, а другая – отрицательно.
К нижним банкам может быть подсоединена проводами неоновая лампочка. При работе устройства, по мере накопления заряда на банках, она будет периодически вспыхивать.
OneGeology — eXtra — OneGeology Kids
Энергия
Привет! Я — Полли, и я расскажу вам, как геология помогает нам находить энергоносители, которые мы используем в наших домах и для заправки наших автомобилей.
А вы знаете, что уголь, нефть и газ — это ископаемое топливо? Оно используется в автомобильной промышленности, для отопления наших домов и для многих промышленных целей. Ископаемое топливо получается из деревьев, растений, мелких морских обитателей, умерших миллионы лет тому назад. Они были сжаты и нагреты так сильно, что превратились в ископаемое топливо , которое мы находим сегодня. Это топливо сжигается и используется для создания пара, который поступает в генераторы, производящие электричество.
На карте мира показаны места, где можно найти разные виды ископаемого топлива:
Условные обозначения:
Уголь
Газ
Нефть
Дополнительная информация
Нефть и газ находят обычно в подземных пластах.Геологи знают, как расшифровать информацию, отраженную на геологических картах , чтобы найти месторождения нефти и газа.
Теперь, когда страны всего мира пытаются сократить выбросы углерода (включая выбросы, получаемые при сгорании ископаемого топлива) — геологические карты могут быть очень полезны! Диоксид углерода можно запрятать глубоко под землю, как нефть и газ. Если мы сможем правильно хранить диоксид углерода, который производим, то, соответственно, снизим эффект глобального потепления.
Геотермальная энергия
Все чаще и чаще мы ищем альтернативные пути получения энергии, и одновременно пытаемся уменьшить наше вредное воздействие на окружающую среду. Один из вариантов — это использовать энергию, которая содержится в недрах Земли в виде тепла. Этот вид энергии можно использовать для отопления домов путем закачки подземной воды в системы тепло- и водоснабжения и ее обратного возврата в водоносный горизонт для нового нагрева. Вода может также использоваться для получения электричества — геотермальные заводы в настоящее время производят 0.3% мировой электроэнергии.
В некоторых местах подземная горячая вода сама выходит на поверхность – такие геотермальные источники есть во всем мире и в них можно купаться. Римляне использовали геотермальные источники как для купания, так и для отопления домов!
Прими участие
А ты знаешь, откуда берется электричество у тебя дома? Узнай и сообщи нам с помощью он-лайн формы!
Больше чем просто источник энергии
Водород используется в различных промышленных процессах, начиная от производства синтетического топлива и нефтехимии до изготовления полупроводников и электромобилей на водородных топливных элементах. Чтобы уменьшить вредное воздействие на окружающую среду в связи с производством 70 млн тонн водорода в год, некоторые страны обращаются к ядерной энергетике.
«Например, перевод всего лишь 4% текущего производства водорода на электроэнергию, вырабатываемую АЭС, позволил бы уменьшить выбросы углекислого газа на 60 млн тонн в год, — объясняет Хамис. — А если бы весь водород производился с использованием ядерной энергии, то можно было бы говорить о сокращении выбросов углекислого газа на более чем 500 млн тонн в год».
Ядерные энергетические реакторы могут быть соединены с установкой по производству водорода в единую систему когенерации для экономически эффективного производства одновременно электроэнергии и водорода. При производстве водорода когенерационная система оснащается компонентами либо для электролиза, либо для термохимических процессов. Электролиз — это процесс выделения водорода и кислорода из молекул воды с помощью постоянного электрического тока. Электролиз воды проходит при относительно низких температурах от 80°C до 120°C, в то время как электролиз водяного пара проводится при гораздо более высоких температурах и поэтому является более эффективным. Электролиз пара может идеально подходить для интеграции с усовершенствованными высокотемпературными АЭС, поскольку для этого процесса требуется подвод теплоносителя с температурой от 700°C до 950°C.
Термохимические процессы позволяют производить водород с помощью химических реакций с определенными соединениями при высоких температурах для расщепления молекул воды. Усовершенствованные ядерные реакторы, способные работать при очень высоких температурах, также могут использоваться в целях производства тепла для этих процессов.
«Производство водорода с использованием серно-йодного цикла, в частности, имеет большой потенциал в плане расширения масштабов применения для обеспечения устойчивой и долгосрочной эксплуатации, — рассказывает Хамис. — Разработка этого метода с использованием конструкций японского реактора HTTR и китайских конструкций HTR‑PM 600 и HTR‑10 является весьма многообещающей, в рамках других исследовательских инициатив также продолжает наблюдаться отличный прогресс».
В настоящее время несколько стран внедряют производство водорода с использованием АЭС или изучают такую возможность в целях содействия декарбонизации своего энергетического, промышленного и транспортного секторов. Это позволяет также увеличить отдачу от АЭС, что может способствовать повышению ее рентабельности.
МАГАТЭ оказывает поддержку странам, заинтересованным в производстве водорода, посредством различных инициатив, в том числе проектов координированных исследований и технических совещаний. Оно разработало также Программу экономической оценки водорода (HEEP) — инструмент для проведения экономической оценки крупномасштабного производства водорода с помощью ядерной энергии. В начале 2020 года МАГАТЭ запустило также электронный учебный курс, посвященный производству водорода с помощью ядерной когенерации.
«Производство водорода с использованием АЭС имеет большой потенциал в плане содействия усилиям по декарбонизации, но сначала необходимо решить ряд вопросов, таких как определение экономической целесообразности включения производства водорода в более широкую энергетическую стратегию, — говорит Хамис. — Для производства водорода с помощью термохимических процессов расщепления воды требуются инновационные реакторы, работающие при очень высоких температурах, однако в ближайшие годы ввод таких реакторов в эксплуатацию не ожидается. Аналогичным образом, чтобы серно-йодный процесс окончательно оформился и мог использоваться в коммерческих масштабах, нужно еще несколько лет НИОКР». Он добавляет, что с лицензированием ядерно-энергетических систем, включающих не связанные с производством электроэнергии применения, также могут возникать сложности.
Тепло тела в электроэнергию: ученые НИТУ «МИСиС» разработали новый способ зарядки гаджетов
Ученые НИТУ «МИСиС» разработали новый тип энергоэффективных устройств — термоячеек, превращающих тепло в энергию. Это позволит создавать портативные элементы питания, которые можно будет нанести практически на любую поверхность, в том числе на одежду для получения электричества прямо от поверхности тела. Результаты разработки представлены в журнале Renewable Energy.
Термоэлектричество — электроэнергия, полученная из тепла благодаря разницам температурных потенциалов — одно из самых перспективных направлений «зеленой энергетики». Эта разница потенциалов (так называемые температурные градиенты) окружают нас повсеместно — нагретое на солнце здание, работающий транспорт, даже тепло человеческого тела. Проблема состоит в том, что современные термоэлектрохимические ячейки (термоячейки) обладают довольно низкой выходной мощностью.
Ученые НИТУ «МИСиС» нашли решения этой проблемы, разработав новый тип термоячеек, состоящих из оксидно-металлических электродов и водного электролита. Такая комбинация позволит повысить ток, одновременно снижая внутреннее сопротивление элемента, что даст на выходе увеличение мощности в 10-20 раз по сравнению с аналогами — до 0,2 В при температуре электрода до 85 °С. благодаря использованию воды.
«Мы показали возможность применения в термоячейке оксидно-никелевого электрода на основе полых никелевых микросфер. Достигнут рекордный для водных электролитов показатель гипотетического коэффициента Зеебека. Кроме того, мы обнаружили нетипичное для термоячеек нелинейное изменение вольт-амперных характеристик, обеспечивающее рост КПД устройства», — комментирует один из авторов работы, ведущий эксперт кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Игорь Бурмистров.
Высокое значение коэффициента Зеебека позволит использовать в качестве источника энергии даже тепло человеческого тела. Есть и еще одно существенное преимущество новой структуры — использование водного электролита снижает стоимость производства и повышает безопасность системы.
Далее ученые намерены добиться повышения выходной мощности за счет оптимизации состава электродного материала и улучшения конструкции термоячейки. В перспективе же можно создать суперконденсатор, который бы сохранял в себе заряд длительное время.
Водородная бомба Мир нашел новую альтернативу нефти и газу. Она обойдется в сотни миллиардов долларов: Госэкономика: Экономика: Lenta.ru
Бум на зеленую энергетику уже давно сопровождается попытками найти замену привычным, но совершенно не экологичным углеводородам. Одним из кандидатов на эту роль стал водород. На него делают ставку Европейский союз, Китай, США, Япония и многие другие страны. Суммарная стоимость всех проектов, реализуемых сегодня в области водородной энергетики, достигла уже 90 миллиардов долларов. Объем планируемых инвестиций в последующие 30 лет только лишь от ЕС — до 470 миллиардов евро. В то же время на пути водородной революции пока немало препятствий — в частности, дороговизна производства, нехватка чистой воды и неразвитость систем доставки. Перспективы h3 как главного топлива будущего — в материале «Ленты.ру».
Главная проблема любого ископаемого источника энергии — ограниченность его объемов. Рано или поздно закончатся и нефть, и газ, и уголь. Существующие возобновляемые источники энергии — ветер, солнце и вода — пока не могут в достаточной степени заменить углеводороды. А вот водород в теории может. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде, однако его можно извлечь из большого числа распространенных ресурсов: воды, метана, каменного угля, биомассы, водорослей и даже мусора.
Водород научились получать еще в начале XIX века, но до конца XX века повсеместно использовать водород в качестве устойчивого источника энергии было невозможно. Газогенераторные установки были массивными и требовали топлива для работы. Вторая проблема — такой водород нельзя назвать чистым, так как газогенераторы оставляют углеродный след.
Фото: Public Domain / Wikimedia
Важный шаг к превращению водорода в распространенный источник энергии произошел в 1959 году — американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company создала трактор с силовой установкой, работавшей на так называемых топливных элементах. Принцип работы такой установки прост: запасенный в баллонах водород вступает в химическую реакцию с кислородом, в результате чего выделяется электричество, которое питает электромотор. Помимо этого топливные элементы выделяют в атмосферу побочные продукты, безвредные для окружающей среды, — тепло и водяной пар.
Топливные элементы можно использовать для получения электроэнергии в промышленных масштабах, а выделяемое в процессе реакции тепло — для обогрева зданий. Кроме того, они гораздо компактнее газогенераторной установки, поэтому их можно установить на борту любых транспортных средств. Теоретически топливные элементы могут сделать водород основой топливно-энергетического комплекса (ТЭК), но для этого нужно решить две проблемы.
Фото: Kim Hong-Ji / Reuters
Первая — углеродный след при получении водорода. Топливные элементы обеспечивают нулевой выброс лишь в процессе получения электричества, но для их работы нужен водород. Эту проблему можно решить с помощью электролиза воды: под воздействием электрического тока дистиллированная вода распадается на кислород и водород. Процесс вообще может быть замкнутым: полученное в топливных элементах электричество используется в том числе для получения водорода.
При этом водород, полученный путем электролиза, еще и подразделяют на «желтый» и «зеленый»: для производства первого используется атомная энергия, второго — возобновляемые источники энергии. Таким образом, по-настоящему экологичным водородом многие страны признают лишь «зеленый» подвид.
Второе серьезное препятствие на пути повсеместного внедрения топливных элементов — их высокая цена. На рубеже XX и XXI веков свои автомобили на топливных элементах показали BMW, General Motors, Honda, Hyundai, Toyota и даже «АвтоВАЗ», но о серийном производстве речи еще не шло. В 2008 году Honda выпустила небольшую партию седанов FCX Clarity с водородными топливными элементами, которую сдавали в лизинг (одновременно и аренда, и аналог целевого кредита) в Калифорнии за 600 долларов в месяц. При этом производство каждого автомобиля обходилось Honda в миллион долларов.
Материалы по теме
00:02 — 30 сентября 2020
На обочине
Конкурента Tesla обвинили в грандиозной лжи. Слава и миллиарды соперника Илона Маска тают на глазах
00:02 — 13 января
Опомнились
Запад решил отказаться от нефти и газа и уже нашел им замену. Готова ли к этому Россия?
В 2014 году Toyota начала продажи Mirai — первого в мире серийного автомобиля на водородных топливных элементах. Два года спустя в продажу поступило второе поколение Honda FCX Clarity, но объемы продаж оставались скромными. Toyota за все время производства реализовала около десяти тысяч Mirai.
Параллельно топливные элементы начали использовать и в других видах транспорта. В 2017 году в Германии на маршрут вышел пассажирский поезд на водородных топливных элементах Coradia iLint. Причем работает он на линиях, которые не электрифицированы, — поезд на топливных элементах заменил дизельные тепловозы. С 2008 года по Альстеру, притоку Эльбы, ходят суда на водородных топливных элементах. Существуют и прототипы самолетов с аналогичными силовыми установками.
Однако и Toyota, и другие производители уверены, что в ближайшем будущем себестоимость автомобилей на топливных элементах будет не выше, чем у машин с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). В 2020 году японский автогигант представил второе поколение модели и планирует увеличить продажи в десять раз.
Сразу несколько игроков включились в борьбу за рынок тяжелых грузовиков на топливных элементах. Hyundai в рамках программы Hydrogen Mobility к 2025 году планирует поставить клиентам в Европе 1600 грузовиков на топливных элементах. Toyota совместно с Kenworth начала испытания водородного грузовика еще в 2017 году, а два года спустя поставила несколько машин в порт Лос-Анджелеса. Наконец, одним из главных генераторов новостей стал американский стартап Nikola, который занимается разработкой грузовиков на топливных элементах. Компания обещала начать их производство к 2023 году.
Исследовательский центр Bloomberg New Energy Finance (BNEF) оценивает все реализуемые сегодня проекты в области водородной энергетики в сумму свыше 90 миллиардов долларов. Институт экономики энергетического сектора и финансового анализа (IEEFA), в свою очередь, насчитал десятки строящихся установок электролиза на базе ВИЭ суммарной мощностью 50 ГВт и стоимостью 75 миллиардов долларов.
Главным инициатором отказа от ископаемых источников энергии и перехода на водород выступают страны Большой семерки, которые в 2015 году, еще до подписания Парижского соглашения, договорились полностью избавиться от ископаемого топлива к концу века. Европейский союз еще более оптимистичен: в 2019 году был принят «Зеленый пакт для Европы» (The European Green Deal), согласно которому ЕС должен добиться нулевого выброса парниковых газов и отказа от ископаемых источников энергии уже к 2050 году. Особую роль в его реализации должен сыграть водород.
Фото: Bernd von Jutrczenka / Getty Images
В июле 2020 года Еврокомиссия представила «Водородную стратегию для климатически нейтральной Европы». Она предусматривает конкретные шаги по развитию водородной энергетики. Приоритетным направлением станет именно «зеленый» водород. Но на первом этапе, чтобы быстрее уменьшить выбросы парниковых газов, будет использоваться и низкоуглеродистый водород — произведенный на основе ископаемого топлива, например, каменного угля, но с улавливанием углерода.
К 2030 году, согласно стратегии, на территории Евросоюза будут работать электролизеры суммарной мощностью 40 ГВт для производства «зеленого» водорода, а еще 40 ГВт будут производить электролизеры в соседних странах для экспорта водорода в ЕС. Для сравнения: общая мощность всех электростанций России составляет около 250 ГВт. Производство же самого «зеленого» водорода достигнет 10 миллионов тонн. По оценкам ЕК, к 2050 году возобновляемый водород в Европе может потребовать от 180 до 470 миллиардов евро инвестиций. Пока же на энергию на базе водорода приходится менее 1 процента всего энергопотребления в Евросоюзе.
Не менее амбициозные планы у Китая: в стране надеются, что к 2040 году водород будет составлять 10 процентов всей китайской энергосистемы. На протяжении долгих лет КНР была мировым лидером по производству водорода и занимала около одной трети мирового рынка. Но речь идет о высокоуглеродистом водороде, который получают из угля и нефти без улавливания углерода. Это приводит к тому, что цена килограмма водорода в Китае одна из самых низких в мире — около 9 юаней (1,15 евро).
Для сравнения: ориентировочная стоимость ископаемого водорода в ЕС сегодня составляет около 1,5 евро за килограмм. Предполагаемые затраты на ископаемый водород с улавливанием и хранением углерода составляют около 2 евро за килограмм. А килограмм «зеленого» водорода, в свою очередь, обойдется в 2,5-5,5 евро.
Однако обязательство стать климатически нейтральным к середине века заставляет Китай переориентироваться на производство экологически чистого водорода. К тому же, по расчетам Института Роки-Маунтин (RMI), американской некоммерческой организации, консультирующей по вопросам энергетического перехода, Китай может стать углеродно-нейтральным к середине века без ущерба для экономического роста. Институт утверждал, что «Китай имеет хорошие возможности для получения технологического конкурентного преимущества от перехода к чистым нулевым выбросам», и призвал страну поддержать электролиз водорода.
Электролизер
Кадр: Realstrannik.com
Соседи — Южная Корея и Япония — также намерены развивать водородную индустрию. Первая планирует наладить производство топливных ячеек общей мощностью 40 ГВт, а также выпустить более 6 миллионов водородных автомобилей к 2040 году. Вторая уже построила «зеленую» водородную фабрику в Фукусиме, одну из крупнейших в мире. А Саудовская Аравия при технологической поддержке американской компании Air Products строит в своем «городе будущего» Неоме гигантскую зеленую электролизную установку стоимостью 5 миллиардов долларов и производительностью 650 тонн водорода в сутки.
Вероятно, крупнейший водородный проект современности реализуется в настоящее время в Австралии. В «Азиатском хабе возобновляемой энергии» в горнопромышленном центре Пилбара строятся солнечные и ветровые электростанции общей площадью 6,5 тысячи квадратных километров. Они будут производить более 50 тераватт-часов зеленой энергии, большая часть которой пойдет на производство водорода. Проект стоимостью 16 миллиардов долларов планируется запустить в 2027 году.
Что касается России, то возрастающая роль водорода в мировой энергетике на первый взгляд сулит ей потерю доли на рынке. В действительности же есть шанс не только сохранить, но и упрочить свои позиции. Министр энергетики Александр Новак заявил, что Россия уже договаривается с Германией о совместных исследованиях по производству зеленой энергии — в частности, водорода. Новак подчеркнул, что, на его взгляд, углеводороды продолжат играть ключевую роль в мировой энергетике, а вот энергетический баланс в Европе может измениться.
Действительно, «водородная стратегия» ЕС подразумевает импорт огромных объемов водорода, а у России уже есть каналы его поставки. Например, для импорта водорода в Германию можно использовать существующую сеть газопроводов — в частности, газопроводы OPAL и Eugal, сухопутные продолжения «Северного потока» и «Северного потока 2». Gascade, немецкая дочка «Газпрома», на словах подтвердила принципиальную готовность использовать свои газопроводы для транспортировки водорода.
Александр Новак
Фото: Александр Миридонов / «Коммерсантъ»
Таким образом, у России уже есть покупатель водорода и возможности по его транспортировке. Однако мощностей по производству водорода, тем более экологически чистого, в стране нет. Решить эту проблему должна дорожная карта «Развитие водородной энергетики в России» на 2020-2024 годы. Главную роль в ее реализации должны сыграть «Росатом» и «Газпром». Уже в 2024 году «Росатом» должен запустить пилотные водородные установки на атомных станциях и построить опытный полигон для испытаний водородных поездов. «Газпром», в свою очередь, должен в 2021 году разработать и испытать газовую турбину на метано-водородном топливе, а затем изучать возможности применения водорода в двигателях различных транспортных средств и в газовых установках — газотурбинных двигателях и газовых бойлерах.
Интерес к теме водорода проявляет и «НОВАТЭК». Компания объявила о подписании меморандума о взаимопонимании в целях изучения и оценки возможностей развития производственно-сбытовой цепочки поставок водорода с немецкой компанией Uniper. Компании рассматривают возможность поставки «голубого» водорода, произведенного из природного газа с дальнейшим улавливанием и хранением CO2, а также «зеленого» водорода.
По оценкам BofA Securities, к 2050 году стоимость мирового рынка «зеленого» водорода составит 2,5 триллиона долларов. Кроме того, будет создано не менее 30 миллионов рабочих мест. Однако не все разделяют столь оптимистичные прогнозы. Аналитики из Rystad Energy считают, что до водородного триумфа в энергетике еще далеко — лишь половина из запущенных в мире «зеленых» водородных проектов будет реализована до 2035 года. При этом подавляющему большинству проектов потребуется господдержка.
Помимо того, что чистая водородная энергетика требует огромных капиталовложений, существует проблема, связанная с недостатком ключевого сырья — чистой воды. По оценкам экспертов Oilprice, для производства одной тонны водорода методом электролиза нужно девять тонн воды. При этом она требует специальной подготовки и очистки. Например, чтобы подготовить одну тонну деминерализованной воды, пригодной для электролиза, нужно две тонны обычной воды. Таким образом, понадобится 18 тонн воды, чтобы произвести тонну водорода.
Фото: Spencer Platt / Getty Images
Также непонятно, как быть с транспортировкой водорода. Сейчас основные объемы этого топлива перевозятся морскими танкерами, но проблема заключается в выкипании продукта, даже несмотря на использование систем охлаждения. Существенно дешевле доставлять водород по трубам, однако запускать водород в действующие газотранспортные системы можно, только смешав его с природным газом, что означает дополнительные затраты на извлечение.
Еврокомиссия признает, что «чистый» и низкоуглеродный водород еще долго будет значительно дороже водорода, полученного из ископаемых источников энергии. Из хороших новостей: за последние пять лет стоимость технологии электролиза упала на 40 процентов и продолжает снижаться. BloombergNEF прогнозирует, что к 2050 году «зеленый» водород при цене доллар за килограмм станет выгоднее газа на мировых рынках и сможет конкурировать с самым дешевым углем. Но это через 30 лет, а пока путь превращения водорода в главный энергоноситель планеты только начинается.
Гидроэлектроэнергия: как это работает
• Школа водных наук ГЛАВНАЯ • Темы водопользования •
Падающая вода производит гидроэлектроэнергию.
Кредит: Управление долины Теннесси
Так как же нам получить электричество из воды? Фактически, гидроэлектростанции и угольные электростанции производят электроэнергию одинаковым образом. В обоих случаях источник энергии используется для вращения пропеллероподобной детали, называемой турбиной, которая затем вращает металлический вал в электрическом генераторе, который является двигателем, вырабатывающим электричество.На угольной электростанции пар вращает лопасти турбины; тогда как гидроэлектростанция использует падающую воду для вращения турбины. Результаты такие же.
Взгляните на эту схему (любезно предоставленную Управлением долины Теннесси) гидроэлектростанции, чтобы увидеть подробности:
Теория состоит в том, чтобы построить плотину на большой реке , которая имеет большой перепад высот (в Канзасе или Флориде не так много гидроэлектростанций). Плотина хранит много воды за собой в резервуаре .У подножия стены дамбы находится водозабор. Гравитация заставляет его проваливаться через напорный водовод внутри дамбы. В конце напорного водовода находится пропеллер турбины, который вращается движущейся водой. Вал турбины идет вверх в генератор, который производит мощность. К генератору подключены линии электропередач, по которым электричество доставляется в ваш дом и в мой. Вода проходит мимо гребного винта через отводной канал в реку мимо плотины. Кстати, играть в воде прямо под плотиной, когда выходит вода, — не лучшая идея!
Турбина и генератор вырабатывают электроэнергию
Схема гидроэлектрической турбины и генератора.
Источник: Инженерный корпус армии США
Что касается того, как работает этот генератор, Инженерный корпус объясняет это следующим образом:
«Гидравлическая турбина преобразует энергию проточной воды в механическую энергию. Гидроэлектрический генератор преобразует эту механическую энергию в электричество. Принцип работы генератора основан на На принципах, открытых Фарадеем, он обнаружил, что когда магнит проходит мимо проводника, он заставляет течь электричество.В большом генераторе электромагниты создаются за счет циркуляции постоянного тока через петли из проволоки, намотанные на стопки пластин из магнитной стали. Они называются полевыми полюсами и устанавливаются по периметру ротора. Ротор прикреплен к валу турбины и вращается с фиксированной скоростью. Когда ротор вращается, он заставляет полюса поля (электромагниты) проходить мимо проводников, установленных в статоре. Это, в свою очередь, вызывает прохождение электричества и повышение напряжения на выходных клеммах генератора.»
Гидроаккумулятор: повторное использование воды для пикового спроса на электроэнергию
Спрос на электроэнергию не «плоский», а постоянный. Спрос повышается и понижается в течение дня, и за ночь потребность в электричестве в домах, на предприятиях и других объектах снижается. Например, здесь, в Атланте, штат Джорджия, в 17:00 в жаркий августовский выходной день можно поспорить, что существует огромный спрос на электроэнергию для работы миллионов кондиционеров! Но 12 часов спустя, в 5:00 … не так уж и много.Гидроэлектростанции более эффективны в обеспечении пиковой потребности в энергии в течение коротких периодов времени, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе и атомные электростанции, и один из способов сделать это — использовать «гидроаккумулирующие станции», которые повторно используют одну и ту же воду более одного раза.
Насосный накопитель — это метод сохранения воды в резерве на период пиковой нагрузки за счет перекачки воды, которая уже прошла через турбины, в резервный бассейн над электростанцией в то время, когда потребность потребителей в энергии низка, например, во время Середина ночи.Затем воде позволяют течь обратно через турбогенераторы в периоды, когда потребность высока и на систему ложится большая нагрузка.
Гидроаккумулятор: повторное использование воды для пикового спроса на электроэнергию
Резервуар действует как батарея, накапливая энергию в виде воды, когда потребности в ней низкие, и вырабатывая максимальную мощность в дневные и сезонные пиковые периоды. Преимущество гидроаккумулирующего оборудования заключается в том, что гидроагрегаты могут быстро запускаться и быстро регулировать производительность.Они работают эффективно при использовании в течение одного или нескольких часов. Поскольку гидроаккумуляторы относительно малы, затраты на строительство обычно невысоки по сравнению с обычными гидроэнергетическими сооружениями.
Объяснение гидроэнергетики — Управление энергетической информации США (EIA)
Гидроэнергетика — энергия движущейся воды
Люди давно используют силу воды, текущей в ручьях и реках, для производства механической энергии.Гидроэнергетика была одним из первых источников энергии, используемых для производства электроэнергии, и до 2019 года гидроэнергетика была крупнейшим источником общего годового производства электроэнергии из возобновляемых источников в США.
В 2020 году на гидроэлектроэнергию приходилось около 7,3% от общего объема производства электроэнергии в коммунальном масштабе США 1 и 37% от общего объема производства электроэнергии из возобновляемых источников в коммунальном масштабе. Доля гидроэлектроэнергии в общем объеме производства электроэнергии в США со временем снизилась, в основном из-за увеличения производства электроэнергии из других источников.
Гидроэнергетика основана на круговороте воды
- Солнечная энергия нагревает воду на поверхности рек, озер и океанов, что приводит к испарению воды.
- Водяной пар конденсируется в облака и выпадает в виде осадков — дождя и снега.
- Осадки собираются в ручьях и реках, которые впадают в океаны и озера, где они испаряются и снова начинают цикл.
Количество осадков, которые стекают в реки и ручьи в географической области, определяет количество воды, доступной для производства гидроэлектроэнергии.Сезонные колебания количества осадков и долгосрочные изменения в структуре осадков, такие как засухи, могут иметь большое влияние на доступность производства гидроэлектроэнергии.
Источник: адаптировано из Национального проекта развития энергетического образования (общественное достояние)
Источник: Управление долины Теннесси (общественное достояние)
Гидроэлектроэнергия вырабатывается с помощью движущейся воды
Поскольку источником гидроэлектроэнергии является вода, гидроэлектростанции обычно располагаются на источнике воды или рядом с ним.Объем потока воды и изменение высоты — или падения, которое часто называют напор — от одной точки к другой определяют количество доступной энергии в движущейся воде. Как правило, чем больше расход воды и чем выше напор, тем больше электроэнергии может производить гидроэлектростанция.
На гидроэлектростанциях вода течет по трубе или водопроводу , затем толкает лопасти турбины и вращает их, вращая генератор для выработки электроэнергии.
Обычные гидроэлектростанции включают
- Русловые системы , где сила течения реки оказывает давление на турбину. Сооружения могут иметь водослив в водотоке для отвода потока воды к гидротурбинам.
- Системы хранения , где вода накапливается в резервуарах, созданных плотинами на ручьях и реках, и сбрасывается через гидротурбины по мере необходимости для выработки электроэнергии.Большинство гидроэнергетических объектов США имеют плотины и водохранилища.
Гидроэлектростанции с гидроаккумулятором — это тип гидроаккумулирующей системы, в которой вода перекачивается из источника воды в водохранилище на более высоком уровне и сбрасывается из верхнего водохранилища в гидротурбины, расположенные ниже верхнего водохранилища. Электроэнергия для перекачки может поставляться гидротурбинами или другими типами электростанций, включая ископаемое топливо или атомные электростанции.Они обычно перекачивают воду в хранилище, когда спрос на электроэнергию и затраты на ее производство и / или когда оптовые цены на электроэнергию относительно низкие, и высвобождают накопленную воду для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса на электроэнергию, когда оптовые цены на электроэнергию относительно высоки. Гидроэлектростанции с гидроаккумулятором обычно используют больше электроэнергии для перекачки воды в верхние водохранилища, чем они производят с накопленной водой. Таким образом, гидроаккумулирующие сооружения имеют чистый отрицательный баланс выработки электроэнергии.Управление энергетической информации США классифицирует выработку электроэнергии на гидроаккумулирующих гидроэлектростанциях как отрицательную.
История гидроэнергетики
Гидроэнергетика — один из старейших источников энергии для производства механической и электрической энергии, и до 2019 года она была крупнейшим источником общего годового производства электроэнергии из возобновляемых источников в США. Тысячи лет назад люди использовали гидроэнергетику, чтобы крутить гребные колеса на реках для измельчения зерна.До того, как в Соединенных Штатах стали доступны паровая энергия и электричество, зерновые и лесопильные заводы питались напрямую от гидроэлектроэнергии. Первое промышленное использование гидроэнергии для выработки электроэнергии в Соединенных Штатах было в 1880 году для питания 16 щеточно-дуговых ламп на фабрике стульев Росомахи в Гранд-Рапидс, штат Мичиган. Первая в США гидроэлектростанция для продажи электроэнергии открылась на реке Фокс недалеко от Аплтона, штат Висконсин, 30 сентября 1882 года.
В Соединенных Штатах работает около 1450 обычных и 40 гидроаккумулирующих гидроэлектростанций.Самая старая действующая гидроэлектростанция в США — это гидроэлектростанция Whiting в Уайтинге, штат Висконсин, которая была введена в эксплуатацию в 1891 году и имеет общую генерирующую мощность около 4 мегаватт (МВт). Большая часть гидроэлектроэнергии в США производится на крупных плотинах на крупных реках, и большинство из этих плотин гидроэлектростанций были построены до середины 1970-х годов федеральными правительственными агентствами. Крупнейший гидроэнергетический объект США и крупнейшая электрическая электростанция США по генерирующей мощности — это гидроэлектростанция Гранд-Кули на реке Колумбия в Вашингтоне с общей генерирующей мощностью 6765 МВт.
1 Коммунальные электростанции имеют не менее 1 мегаватта общей мощности по выработке электроэнергии. Генерирующая мощность — это чистая летняя мощность.
Последнее обновление: 8 апреля 2021 г.
Семь неожиданных способов получить энергию из воды | Наука
Люди фотографируют воду, льющуюся из резервуара Китайской плотины «Три ущелья», крупнейшей гидроэлектростанции в мире.STRINGER SHANGHAI / Reuters / CorbisИспользование движения воды — один из самых древних способов, которыми люди генерировали энергию. Сегодня на гидроэнергетику приходится около 20 процентов мировой электроэнергии, и эта цифра остается неизменной с 1990-х годов.
Но даже без плотины вода является ключом к производству большей части мировой электроэнергии. На газовых, угольных, атомных и многих других типах электростанций топливо фактически используется для превращения воды в пар, а генераторы преобразуют энергию пара в электричество.В честь Всемирной недели воды в этом году мы представляем несколько неожиданных примеров того, как вода играет жизненно важную роль в современном производстве энергии, а также несколько удивительных способов использования воды в возможных источниках энергии в будущем:
Сила дождя
В падающей капле дождя может быть не так много энергии — иначе они наверняка повредили бы. Но французские ученые нашли способ использовать то, что доступно. Команда французской комиссии по атомной энергии построила устройство из специального пластика, которое преобразует энергию колебаний падающей на него капли дождя в электричество.Такое изобретение не могло произвести много энергии: ливень генерировал до 12 милливатт, чего было достаточно для питания пары стандартных лазерных указателей. Но у этой системы будет преимущество перед солнечной, так как она будет работать в темноте и, конечно же, во время ливня.
Водородное топливо
С помощью устройства, называемого топливным элементом, водород можно превратить в электричество. Но даже несмотря на то, что этого элемента много, получение одного чистого водорода долгое время было проблемой. Сегодня почти все поставки в мире происходят из ископаемого топлива, в основном природного газа.Однако исследователи работают над способами отделения водорода от воды без использования большего количества энергии, чем может произвести топливный элемент. Некоторые проекты, например, исследуют бактерии и солнечно-термические методы.
Реактивное топливо на основе морской воды
В более радикальном варианте водородной энергетики ВМС США объявили ранее в этом году, что они разработали метод превращения морской воды в реактивное топливо. Процесс начинается с использования электричества для разделения воды на водород и кислород.Затем водород объединяется с углекислым газом, растворенным в воде, с образованием углеводорода, также известного как реактивное топливо. Но любой, кто смотрит на океаны как на решение всех наших энергетических проблем, будет разочарован. Этот процесс энергоемкий и действительно возможен только в том случае, если у вас есть под рукой атомный корабль, и вам нужны реактивные двигатели в воздухе больше, чем электричество на палубе.
Гибрид на солнечно-ветровой энергии
Постройте действительно высокую башню с верхней губой, а затем обдувайте ее тонким водяным туманом.Туман поглощает тепло из воздуха и испаряется. Это приводит к тому, что холодный плотный воздух течет ко дну конструкции, где он направляется через огромные ветряные турбины, вырабатывающие электричество. Этот метод, запатентованный еще в 1975 году, лучше всего работает в жарких и засушливых местах и требует большого количества воды. Он наконец-то пройдет свой первый тест в 2018 году: его башня будет выше Эмпайр-стейт-билдинг, которую планируется построить в Аризоне.
Геотермальная
Геотермальная энергия использует тепло изнутри Земли для производства энергии.Но нельзя просто вставить тостер в ближайший магматический карман. В некоторых местах, таких как Исландия и Калифорния, сейсмическая активность разрушает скалы, позволяя воде циркулировать около геологических горячих точек. Затем пар естественным образом поднимается на поверхность, где он может приводить в действие генераторы. На участках, где горячие породы находятся глубже под поверхностью, холодную воду можно откачивать через колодцы для обогрева, а горячую воду можно забирать из других колодцев. В некоторых зданиях даже используются геотермальные тепловые насосы, но для перемещения энергии они обычно используют воздух или антифриз, а не воду.
Биотопливо
Традиционное биотопливо, такое как древесина, не требует дополнительного полива перед сбором урожая. Но многие из новых источников биотоплива потребляют даже больше воды, чем дает природа. Такие культуры, как кукуруза и сахарный тростник, теперь выращиваются специально для производства этанола, и они требуют орошения. Согласно одной из оценок, к 2030 году на производство биотоплива может пойти до 8 процентов пресной воды в США.
Фрекинг
При гидроразрыве пласта вода закачивается глубоко под землю, чтобы создать трещины, обеспечивающие доступ к захваченной нефти или природному газу.Каждой скважине может потребоваться до 7 миллионов галлонов воды, чтобы высвободить все это ископаемое топливо. В некоторых областях, таких как Калифорния и Техас, отвод воды для гидроразрыва истощает и без того напряженные запасы. Такая напряженность может возрасти, согласно новому отчету Института мировых ресурсов, в котором отмечается, что 40 процентов стран, в которых есть районы, подходящие для гидроразрыва, уже имеют ограниченные водные ресурсы.
Антропоцен Энергия Среда Научные инновации ВодыРекомендованные видео
Энергия воды | Пособие для студентов по глобальному изменению климата
Если вы когда-либо стояли в стремительном потоке, под водопадом или на берегу океана, когда набегают волны, то вы чувствовали силу воды.Энергию движущейся воды можно использовать для производства электричества несколькими способами. Например:
- Плотина гидроэлектростанции улавливает энергию движения реки. Операторы плотин контролируют поток воды и количество производимой электроэнергии. Плотины создают за собой водоемы (большие водоемы со спокойной водой), которые можно использовать для отдыха, создания заповедников и источников питьевой воды.
- Wave power улавливает энергию волн на поверхности океана с помощью специального буя или другого плавучего устройства.
- Приливная сила улавливает энергию текущей воды с помощью турбин, когда приливы прибывают и покидают прибрежные районы.
Как это работает
- Текущая вода вращает водяное колесо или турбину.
- Генератор, прикрепленный к турбине, вырабатывает электричество.
Интересные факты
- Чудо природы! Знаете ли вы, что одно из величайших чудес природы вырабатывает электричество уже более 100 лет? Сегодня Ниагарский водопад — крупнейший производитель электроэнергии в штате Нью-Йорк, вырабатывающий достаточно электроэнергии, чтобы зажечь 24 миллиона 100-ваттных лампочек одновременно!
- Вперед. Гидроэнергетика — ведущий возобновляемый источник энергии, используемый для выработки электроэнергии в США.
- Волна будущего. Первая коммерческая электростанция в США, использующая океанские волны для выработки электроэнергии, находится в стадии строительства в Орегоне. Когда все будет закончено, 10 «буев» в океане будут вырабатывать электричество, достаточное для снабжения энергией 1000 домов.
Начало страницы
Как работает гидроэнергетика | Компания Wisconsin Valley Improvement Company
Гидроэлектростанции улавливают энергию падающей воды для производства электроэнергии.Турбина преобразует кинетическую энергию падающей воды в механическую. Затем генератор преобразует механическую энергию турбины в электрическую.
Гидравлические станции различаются по размеру от «микрогидро», питающих лишь несколько домов, до гигантских плотин, таких как плотина Гувера, которые обеспечивают электричеством миллионы людей.
На фотографии справа показана Александровская гидроэлектростанция на реке Висконсин, электростанция среднего размера, которая производит достаточно электроэнергии, чтобы обслуживать около 8000 человек.
Части гидроэлектростанции
Большинство традиционных гидроэлектростанций состоит из четырех основных компонентов (см. Рисунок ниже):
- Плотина. Повышает уровень воды в реке для создания падающей воды. Также контролирует поток воды. Образующийся резервуар — это, по сути, запасенная энергия.
- Турбина. Сила падающей воды, давящей на лопасти турбины, заставляет турбину вращаться.Водяная турбина очень похожа на ветряную мельницу, за исключением того, что энергия вырабатывается падающей водой, а не ветром. Турбина преобразует кинетическую энергию падающей воды в механическую.
- Генератор. Соединен с турбиной валами и, возможно, шестернями, поэтому, когда турбина вращается, она заставляет вращаться и генератор. Преобразует механическую энергию турбины в электрическую. Генераторы на гидроэлектростанциях работают так же, как генераторы на других типах электростанций.
- Линии передачи . Проведите электричество от гидроэлектростанции до домов и предприятий.
Сколько электроэнергии может производить гидроэлектростанция?
Количество электроэнергии, производимой гидроэлектростанцией, зависит от двух факторов:
- Как далеко падает вода. Чем дальше падает вода, тем больше у нее силы. Как правило, расстояние, на которое падает вода, зависит от размера плотины.Чем выше плотина, тем дальше падает вода и тем больше у нее мощности. Ученые сказали бы, что сила падающей воды «прямо пропорциональна» расстоянию, на которое она падает. Другими словами, вода, падающая вдвое дальше, имеет в два раза больше энергии.
- Количество падающей воды. Чем больше воды проходит через турбину, тем больше мощность. Количество доступной воды зависит от количества воды, текущей по реке. В больших реках больше проточной воды, и они могут производить больше энергии.Мощность также «прямо пропорциональна» расходу реки. Река с вдвое большим объемом проточной воды, чем другая река, может производить вдвое больше энергии.
Могу ли я определить, сколько энергии может производить плотина в моем районе?
Конечно. Это не так уж и сложно.
Допустим, в вашем районе есть небольшая плотина, которая не используется для производства электроэнергии. Возможно, плотина используется для обеспечения водой для орошения сельскохозяйственных угодий, а может быть, она была построена для создания озера для отдыха.Как мы объясняли выше, вам нужно знать две вещи:
- Как далеко падает вода. Из разговора с человеком, который управляет плотиной, мы узнаем, что высота плотины 10 футов, поэтому вода падает на 10 футов.
- Количество воды, протекающей в реке. Мы связываемся с Геологической службой США, агентством в США, которое измеряет речной сток, и узнаем, что средний объем воды, протекающей в нашей реке, составляет 500 кубических футов в секунду.
Теперь все, что нам нужно сделать, это немного математики. Инженеры выяснили, что мощность плотины можно рассчитать по следующей формуле:
Мощность = (высота плотины) x (сток реки) x (эффективность) / 11,8
| Мощность | Электрическая мощность в киловаттах (один киловатт равен 1000 ватт). |
| Высота плотины | Расстояние, с которого падает вода, в футах. |
| Речной сток | Количество воды, текущей в реке, измеряется в кубических футах в секунду. |
| КПД | Насколько хорошо турбина и генератор преобразуют энергию падающей воды в электроэнергию. Для старых, плохо обслуживаемых гидростанций этот показатель может составлять 60% (0,60), в то время как для более новых, хорошо эксплуатируемых заводов этот показатель может достигать 90% (0,90). |
| 11.8 | Преобразует футы и секунды в киловатты. |
Допустим, для плотины в нашем районе мы покупаем турбину и генератор с КПД 80%.
Тогда мощность для нашей плотины будет:
Мощность = (10 футов) x (500 кубических футов в секунду) x (0,80) / 11,8 = 339 киловатт
Чтобы понять, что такое 339 киловатт, давайте посмотрим, сколько электроэнергии мы можем произвести за год.
Поскольку электрическая энергия обычно измеряется в киловатт-часах, мы умножаем мощность нашей плотины на количество часов в году.
Электроэнергия = (339 киловатт) x (24 часа в сутки) x (365 дней в году) = 2 969 000 киловатт-часов.
Среднее годовое потребление энергии в жилищах в США составляет около 3000 киловатт-часов на каждого человека. Таким образом, мы можем вычислить, сколько людей могла бы обслуживать наша плотина, разделив годовое производство энергии на 3000.
Обслужено человек = 2 969 000 киловатт-часов / 3 000 киловатт-часов на человека) = 990 человек.
Таким образом, наша местная ирригационная или рекреационная плотина могла бы обеспечить достаточно возобновляемой энергии для удовлетворения жилищных потребностей 990 человек, если бы мы добавили турбину и генератор.
Примечание. Прежде чем вы решите добавить гидроэнергетику к плотине, попросите инженера-гидроэнергетика проверить ваши расчеты и проконсультироваться с местными агентствами ресурсов, чтобы убедиться, что вы можете получить все необходимые разрешения.
Гидроэнергетика: сила проточной воды
Гидроэнергия вырабатывается движущейся водой. Hydro происходит от греческого слова «вода».
Гидроэнергия используется уже тысячи лет. Древние римляне построили турбины — колеса, вращаемые потоком воды. Римские турбины использовались не для электричества, а для измельчения зерна для производства муки и хлеба.
Водяные мельницы — еще один источник гидроэнергетики.Водяные мельницы, которые были обычным явлением до промышленной революции, представляют собой большие колеса, обычно расположенные на берегах рек с умеренным течением. Водяные мельницы генерируют энергию, необходимую для таких разнообразных действий, как измельчение зерна, резка пиломатериалов или разведение горячих огней для получения стали.
Первая гидроэлектростанция в США была построена на реке Фокс в 1882 году в Аплтоне, штат Висконсин. На этом заводе работали две бумажные фабрики и один жилой дом.
Использование гидроэлектроэнергии
Чтобы использовать энергию проточной воды, воду необходимо контролировать.Большой водохранилище создается, как правило, путем перекрытия реки плотиной для создания искусственного озера или водохранилища. Вода проходит через туннели в плотине.
Энергия воды, протекающей через туннели плотины, заставляет турбины вращаться. Турбины приводят в движение генераторы. Генераторы — это машины, производящие электричество.
Инженеры контролируют количество воды, пропускаемой через плотину. Процесс, используемый для управления этим потоком воды, называется системой впуска. Когда требуется много энергии, большинство туннелей к турбинам открыты, и через них проходят миллионы галлонов воды.Когда требуется меньше энергии, инженеры замедляют работу впускной системы, закрывая некоторые туннели.
Во время паводков водозаборную систему помогает водосброс. Водосброс — это конструкция, которая позволяет воде стекать прямо в реку или другой водоем ниже плотины, минуя все туннели, турбины и генераторы. Водосбросы предотвращают повреждение плотины и населения. Водосбросы, похожие на длинные аппарели, большую часть времени пусты и сухие.
От водных течений к электрическим токам
Большие реки с быстрым течением производят больше всего гидроэлектроэнергии.Река Колумбия, которая образует часть границы между штатами США Вашингтон и Орегон, является большой рекой, производящей огромное количество гидроэлектроэнергии.
Плотина Бонневиль, одна из многих плотин на реке Колумбия, имеет 20 турбин и ежегодно вырабатывает более миллиона ватт электроэнергии. Этой энергии достаточно для питания сотен тысяч домов и предприятий.
Гидроэлектростанции возле водопадов также могут производить огромное количество энергии. Вода, разбивающаяся о линию падения, полна энергии.Знаменитым примером этого является гидроэлектростанция на Ниагарском водопаде, которая расположена на границе между США и Канадой.
Гидроэнергия, вырабатываемая Ниагарским водопадом, распределяется между американским штатом Нью-Йорк и канадской провинцией Онтарио. Инженеры Ниагарского водопада не могут отключить водопад, но они могут серьезно ограничить водозабор и контролировать количество воды, устремляющейся через водопад.
Самая большая гидроэлектростанция в мире — огромная плотина «Три ущелья», которая пересекает реку Янцзы в Китае.Его высота составляет 185 метров (607 футов), а толщина у основания — 115 метров (377 футов). Он имеет 26 турбин и сможет вырабатывать более миллиарда ватт энергии. Плотина «Три ущелья» работает, но инженеры все еще работают над системой. Они добавляют к проекту еще больше турбин и генераторов.
Гидроэнергетика и окружающая среда
Гидроэнергетика зависит от воды, которая является чистым возобновляемым источником энергии. Возобновляемый источник энергии — это тот, который не иссякнет.Возобновляемая энергия поступает из природных источников, таких как ветер, солнечный свет, дождь, приливы и геотермальная энергия (тепло, производимое внутри Земли). Невозобновляемые источники энергии включают уголь, нефть и природный газ.
Вода возобновима, потому что круговорот воды постоянно повторяется. Вода испаряется, образует облака, а затем проливается дождем на Землю, начиная цикл снова.
Водохранилища, созданные плотинами, могут предоставить большое безопасное место для отдыха населению.Лодочники и водные лыжники могут полюбоваться озером. Многие водоемы также заполнены рыбой. Территория вокруг водохранилища часто является охраняемым природным пространством, позволяющим отдыхающим и туристам наслаждаться природой.
Использование воды в качестве источника энергии, как правило, является экологически безопасным выбором. Однако это не идеально. Гидроэлектростанции требуют плотины и водохранилища. Эти искусственные сооружения могут быть препятствием для рыб, пытающихся плыть против течения. На некоторых плотинах, в том числе на плотине Бонневиль, установлены рыбные лестницы, чтобы рыба могла мигрировать.Рыбные лестницы — это серия широких ступеней, построенных на берегу реки и плотины. Лестница позволяет рыбе медленно плыть против течения вместо того, чтобы быть полностью заблокированной плотиной.
Плотины затопляют берега рек, разрушая среду обитания на водно-болотных угодьях для тысяч организмов. Водные птицы, такие как журавли и утки, часто подвергаются риску, а также растения, зависящие от болотистой среды обитания на берегу реки. Работа электростанции также может повысить температуру воды в резервуаре. Растения и животные возле плотины должны приспосабливаться к этим изменениям или мигрировать в другое место.
Плотина Ошонесси на реке Туолумн в американском штате Калифорния была одним из первых гидроэнергетических проектов, вызвавших широкую критику за свое воздействие на окружающую среду. Плотина, построенная в 1913 году, затопила регион под названием долина Хетч-Хетчи, часть национального парка Йосемити. (Озеро, созданное плотиной Ошонесси, называется водохранилищем Хетч-Хетчи.) Экологические коалиции выступили против плотины, сославшись на разрушение окружающей среды и создаваемых ею мест обитания.Тем не менее, электростанция обеспечивала доступной гидроэлектроэнергией быстро развивающийся городской район Сан-Франциско.
Водохранилище Хетч-Хетчи все еще остается спорным проектом. Многие считают, что плотину Ошонесси следует разрушить, а долину вернуть в естественную среду обитания. Другие утверждают, что уничтожение источника энергии в таком крупном городском районе снизит качество жизни жителей района залива.
Есть ограничения на количество гидроэлектрической энергии, которую может обеспечить плотина.Наиболее ограничивающим фактором является ил, который накапливается на дне водохранилища. Этот ил переносится текущей рекой, но плотина не позволяет ему добраться до своего обычного пункта назначения в дельте или устье реки. Сотни метров ила накапливаются на дне резервуара, уменьшая количество воды в объекте. Меньше воды означает менее мощную энергию, протекающую через турбины системы. Большинство плотин должны тратить значительную сумму денег, чтобы избежать накопления ила — процесса, называемого заиливанием. Некоторые электростанции могут обеспечивать электричеством только 20 или 30 лет из-за заиления.
Гидроэнергетика и люди
Ежедневно от гидроэлектроэнергии зависят миллиарды людей. Он питает дома, офисы, фабрики, больницы и школы. Гидроэнергетика обычно является одним из первых методов, используемых развивающейся страной для обеспечения доступного электричества в сельских районах.
Гидроэлектроэнергия помогает улучшить гигиену, образование и возможности трудоустройства, доступные для сообщества. Китай и Индия, например, построили десятки плотин за последнее десятилетие, поскольку их строительство быстро росло.
Соединенные Штаты зависели от гидроэнергетики, чтобы обеспечить электричеством многие сельские или бедные районы. Большая часть этого строительства велась в 1930-х годах. Плотины были важной частью «Нового курса», серии государственных программ, которые заставляли людей работать и обеспечивали электричеством миллионы американцев во время Великой депрессии. Плотина Бонневиль на реке Колумбия, плотина Шаста на реке Сакраменто и плотина Гувера на реке Колорадо — это некоторые плотины, построенные в рамках Нового курса.
Самым известным гидроэнергетическим проектом Нового курса, вероятно, является Управление долины Теннесси (TVA). TVA построила серию плотин вдоль реки Теннесси и ее притоков. Сегодня TVA — крупнейшая государственная энергетическая компания в США, обеспечивающая доступным электричеством жителей штатов Алабама, Джорджия, Кентукки, Миссисипи, Северная Каролина, Теннесси и Вирджиния.
Однако гидроэлектроэнергия часто обходится человеческими жертвами. Огромные плотины, необходимые для проектов гидроэнергетики, создают водохранилища, которые затопляют целые долины.Дома, общины и города могут быть перемещены по мере начала строительства плотины.
Египет начал строительство комплекса Асуанской плотины на реке Нил в 1960 году. Инженеры поняли, что древние храмы Абу-Симбела будут затоплены водохранилищем, называемым озером Насер. Эти памятники были встроены прямо в скалы высотой в несколько этажей. Храмы Абу-Симбел являются частью культурного наследия Египта и являются одним из основных туристических направлений. Вместо того, чтобы затопить памятники, правительство Египта переместило весь склон горы на искусственный холм поблизости.Сегодня Абу-Симбел находится над Асуанской плотиной.
Масштабный проект плотины «Три ущелья» в Китае обеспечит безопасное и доступное электричество для миллионов людей. Это позволит больницам, школам и фабрикам работать дольше и надежнее. Это также позволит людям поддерживать более здоровый образ жизни, обеспечивая их чистой водой. Строительство дамбы пошло на пользу и рабочим. Более четверти миллиона человек нашли работу с проектом.
Однако проект вынудил переехать более миллиона человек.Был нарушен образ жизни. Многие семьи были переселены из сельских городов на берегу реки Янцзы в Чунцин, крупный городской район с 31 миллионным населением. Остальные были полностью переселены за пределы провинции.
Можете ли вы превратить свой дом в гидроэлектростанцию?
Автор New Scientist, партнер Energy Realities
Ни у кого нет ответов на все вопросы мировой энергетики, поэтому New Scientist объединилась с Статойл для поиска решений в аудитории New Scientist.
Был задан вопрос: сколько электроэнергии можно было бы произвести, если бы вы подключили турбину к системе подачи воды под давлением, поступающей в ваш дом? Повлияет ли это на поставщика воды или ваших соседей?
В то время, когда нам нужно больше низкоуглеродных источников электроэнергии, домашняя гидроэнергетика кажется отличной идеей.
И оказывается, что выработка электроэнергии из воды, протекающей по трубам, уже используется, хотя и не так, как предусмотрено в вопросе. Эндрю Лобихлер, основатель и технический директор XYZ Interactive из Торонто, отмечает в LinkedIn, что некоторые водомеры уже включают в себя небольшую турбину для выработки электроэнергии для питания радио, которое отправляет данные о потреблении домашних хозяйств на ретрансляционную станцию.Они используют лишь небольшую часть энергии потока, поэтому вода по-прежнему достигает самых высоких частей домов, которые они обслуживают.
Турбины также могут использоваться в гораздо больших водяных трубах. Майкл Полод, аналитик по рискам и нормативным требованиям TransCanada, указывает на их использование в трубах диаметром более 60 сантиметров. Его доказательства получены от компании Lucid Energy из Портленда, штат Орегон, которая устанавливает турбины с вертикальной осью внутри труб и генераторы электроэнергии на них.Компания считает, что, удаляя избыточное давление в системах с гравитационным питанием, она может генерировать 100 киловатт и более без нарушения потоков. Замечательно, что эта система также может работать со сточными водами — новой формой энергии из отходов.
Если гидроэнергетика работает на больших трубах, будет ли она работать в масштабе отдельных домов? Даже если ответ положительный, Стив Орчард из Глостершира указывает, что существует юридическое препятствие, которое необходимо преодолеть, по крайней мере, в Великобритании. Это связано с тем, что использование водопроводного крана для выработки электроэнергии противоречит частям Положения о водоснабжении (водопроводной арматуре) 1999 года, которые призваны избежать потерь воды.
Но есть ли ответ «да»? Мы получили много ответов от людей, которые проводили эксперименты и сложные математические вычисления, чтобы проверить идею. Физика Престижность всем вам. Скорость потока воды сильно различалась, но ответов не было. Был достигнут полный консенсус в отношении ценности этой схемы, о чем свидетельствуют заявки-победители в этом месяце:
Дома я провел простой эксперимент, чтобы разобраться в этом, подсчитав, сколько времени нужно, чтобы наполнить ведро известного объема водой при полностью открытом кране. Я обнаружил, что мой внешний кран, питаемый непосредственно из восходящей магистрали, идущей с улицы, будет подавать 30 литров в минуту, или 0.5 литров в секунду. Это поток из одного крана, но на практике восходящая магистраль может питать сразу несколько кранов, каждый из которых работает на полный проход. Я мог запустить сразу три крана, прежде чем расход уменьшился. Так что, похоже, моя восходящая магистраль имеет приблизительную производительность 1,5 литра в секунду. Это массовый расход 1,5 килограмма в секунду. Я знаю, что диаметр магистрали составляет около 13 миллиметров — стандартный размер трубы здесь, в Великобритании, — поэтому я могу подсчитать, что вода движется со скоростью 11 метров в секунду (это объемный расход, деленный на площадь поперечного сечения трубы. ). 2, где м — 1,5 кг / с, а v — 11 м / с. Обработка чисел дает энергию около 90 джоулей в секунду — или 90 ватт, если вы можете собрать ее со 100-процентной эффективностью.
Но вы не можете сделать турбину такой хорошей. Самая лучшая из практичных турбин имеет КПД около 66 процентов, так что реально вы получите около 60 Вт на валу турбины в вашей магистральной трубе. Но, опять же, небольшие электрические машины заведомо неэффективны, так что вам повезет, если вы получите половину этой суммы в виде электричества.Я мог рассчитывать получить около 30 ватт электроэнергии от турбины, если бы я был доволен тем, что не использовал воду для каких-либо других целей.
Однако это было бы серьезно антиобщественным поступком. Вода, которая поступает в мой дом, течет из хозяйственного резервуара на вершине близлежащего холма. Сама по себе она не дойдет, и моей водопроводной компании приходится тратить энергию, чтобы перекачивать ее в гору. Вода, конечно же, подвергается дорогостоящей обработке, чтобы сделать ее пригодной для питья, поэтому ее сливают в канализацию со скоростью 1.5 литров в секунду — это 130 тонн воды в день — для выработки незначительного количества энергии было бы ужасной тратой.
«Я только что проверил, сколько моя местная водопроводная компания будет взимать за такое количество воды (около 47 500 тонн в год) при поставке по счетчику. Это около 57 600 фунтов стерлингов. Это смехотворно дорогой способ выработать 30 Вт электроэнергии. Дон ‘ Попробуй это дома, ребята! »
Ричард Эллам, Бристоль, Великобритания
«Поставщик воды, конечно, будет смутно относиться к этой деятельности, считая ее неправильным использованием воды, но ее влияние на общее водоснабжение будет незначительным.Ваш сосед тоже не заметит никакой разницы, если вы не используете очень длинную подающую трубу с малым диаметром. Причина неутешительного количества вырабатываемой электроэнергии не в низком давлении — многие электростанции «русла» работают на одинаковых напорах (высота водохранилища над турбиной). Проблема в очень низком расходе. Напротив, относительно небольшой гидроэлектрический генератор мощностью 10 мегаватт будет иметь производительность около 60 кубических метров в секунду. Это много ведер.»
Алан Брукман, Сабден, Ланкашир, Великобритания
«Если электричество, произведенное таким образом, будет рассматриваться как« бесплатная »энергия, и если вам повезет, что вы не будете измерять воду, возникнет великое искушение позволить большему количеству воды проходить через вашу турбину. Это повлияет на ваш соседей, если это поможет ввести запреты на использование шлангов раньше во время засухи, и потому, что поставщикам воды необходимо будет поставлять больше воды, и их расходы будут переложены на потребителей.»
Пенни Джонсон, Уоттон-андер-Эдж, Глостершир, Великобритания
Этот контент редактируется независимо New Scientist по заказу Statoil. Номер ранее появлялся в блоге Energy Realities.
Узнайте больше об энергетических реалиях.
.